Основные принципы системы категорирования наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности

 

На открытых технологических установках перерабатываются углеводородные газы, газовые конденсаты и нефть, которые имеют высокую степень пожарной опасности. Пожарная опасность таких предприятий постоянно увеличивается в связи с интенсификацией технологических процессов, увеличением единичной мощности технологических установок, а также в связи с тем, что технологические процессы проводятся при высоких температурах и давлениях с применением пирофорных катализаторов. Пожары на таких объектах являются, как правило, следствием аварийных ситуаций, развивающихся примерно по следующей схеме:

– в результате нарушения герметичности трубопроводов арматуры и оборудования происходит истечение горючих жидкостей или газов наружу;

– вытекшие жидкости или газы либо воспламеняются, либо создают обширную зону парогазовоздушной смеси взрывоопасной концентрации;

– факторы возникшего пожара интенсивно воздействуют на аппарат или трубопровод, из которого происходит истечение, а также соседнее оборудование, трубы и т. п., вследствие чего в них повышается давление выше расчетного, они теряют прочность и разрушаются или происходит их разгерметизация вследствие разрушения от огня уплотняющих устройств;

– количество вытекающего продукта и масштабы пожара увеличиваются со временем, принося большой материальный ущерб.

Таким образом, пожар возникает лишь в ситуации, которая характеризуется одновременно тремя факторами:

– утечкой горючей жидкости,

– испарением и образованием взрывоопасной смеси паров с воздухом,

– наличием источника зажигания.

Пожары на открытых технологических установках могут возникать при нарушении технологического режима, из-за неосторожного обращения с огнем, в результате допущенных нарушений при проектировании, строительстве и других причин.

Взрывы и связанные с ними пожары могут возникать при освоении новых технологических процессов производства, пуске нового оборудования, при недостаточной изученности условий пожаро- и взрывоопасности этих технологических процессов и показателей пожаро- и взрывоопасности сырья, полуфабрикатов и готовой продукции. Такие случаи наблюдались при освоении некоторых химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств.

Производственное оборудование и технологические аппараты открытых технологических установок размещаются на небольшом расстоянии друг от друга и часто имеют значительную высоту. Большое количество горючих и легковоспламеняющихся жидкостей и газов, перерабатываемых под высоким давлением и при большой температуре, наличие открытых источников воспламенения определяют высокую пожарную опасность открытых технологических установок и специфику развития пожаров. Для разработки надежной противопожарной защиты необходим анализ пожарной опасности технологических линий и элементов оборудования открытой технологической установки.

Пожары на открытых технологических установках протекают в более сложных условиях, чем в производственных зданиях, часто при быстром распространении огня на соседние аппараты и участки и могут принять характер катастрофы с огромным материальным ущербом.

Развитие пожаров на каждом из участков установки имеет свои особенности. Условия развития пожара могут определяться следующими основными параметрами:

– линейной скоростью распространения очага горения по поверхности;

– удельной теплотой пожара веществ и материалов, перерабатывающихся на установках;

– размерами оборудования установки и его конструктивными особенностями, влияющими на условия горения во время пожара и характер теплового воздействия пожара;

– удельной загрузкой сгораемых материалов и веществ, находящихся в установке;

– размерами пламени.

Линейная скорость распространения очага горения по поверхности характеризует стадию развивающегося пожара. От скорости распространения очага зависит время развития пожара

Удельная теплота пожара (в МВт/м²) представляет собой количество тепла, выделяющегося при пожаре с единицы площади горения за единицу времени

 

(64)

где ^Q _н ^p — теплота сгорания, МДж/кг; v _m — удельная скорость выгорания, кг/(м²с).

 

Скорость выгорания жидкостей относят к площади зеркала жидкости в спокойном состоянии.

Для твердых веществ существует два понятия скорости выгорания: действительная скорость выгорания, отнесенная к единице полной поверхности горения, и приведенная скорость выгорания, отнесенная к единице площади пожара. Для древесины, например приведенная скорость выгорания, может более чем в два раза превышать действительную скорость выгорания.

Скорость выгорания газа, вытекающего через отверстие, — это количество газа, сгорающего в единицу времени; фактор площади здесь не учитывается.

Удельную скорость выгорания твердых сгораемых материалов определяют опытным путем, а горючих углеводородных жидкостей — можно рассчитать по формуле

     (65)

 

где, р —плотность жидкости, кг/м³; Q _и — теплота испарения, МДж/кг; t _н — температура кипения жидкости, К; t о — начальная температура, К; с_р — средняя теплоемкость жидкости в интервале от t ₀ до t _к, МДж/(кг-К).

 

При отсутствии справочных данных Q _и (с погрешностью 1— 5%) может быть рассчитано по формуле Кистяковского — Фиштайна:

 

Q _н = (8,75+4,576 lg ) (66)

 

где k_f — корректирующий коэффициент Фиштайна, учитывающий полярность соединения, а также способность ассоциироваться за счет водородных связей.

 

Для неполярных органических соединений k_f близок единице; для слабополярных соединений можно приближенно принимать k _£/=1,06.

Для пожаров нефтепродуктов, имеющих площадь горения более 10 м², скорость выгорания (в м/с) приближенно может быть найдена по эмпирической формуле

v  = a Q_HP/ Q _и        (67)

 

где а — коэффициент, равный 7,5 10^-6 для горючих жидкостей, 1,27 10^-5для легковоспламеняющихся жидкостей и 1,38 10^-5 для горючих газов.

 

Изучение пожаров на открытых технологических установках показывает, что фаза развития пожара (характеризующаяся увеличением теплового потока пожара) длится от 2 до 10 мин.

Величина теплового потока, от которой зависит характер теплового воздействия пожара, определяется по формуле

q = q ₀ (v_it_p)² = q ₀ F _П     (68)

где q —тепловой поток развивающегося пожара, МВт; q ₀ — удельная теплота пожара МВт/м² (см. табл. 1.3, 1.4); v_i — линейная скорость распространения очага горения, м/с; _р — продолжительность развивающегося пожара, с; F п — площадь пожара, м².

 

Размеры пожара зависят от площади зеркала разлившейся горючей жидкости. Поэтому надо иметь данные о зависимости площади зеркала разлившейся в результате аварии жидкости от условий истечения. Растекание жидкости зависит от таких факторов, как расход, продолжительность истечения, вязкость и т. п. Радиус растекания горючих жидкостей на горизонтальных поверхностях выражается произведением степенных функций критерия Галилея и критерия гомохронности:

 

R / l = AGa^mHoⁿ         (69)

 

где R — радиус растекания жидкости; l —определяющий размер; А — постоянная величина; G_a = gl ³ / v ³ —критерий Галилея (g — ускорение свободного падения; v — кинематическая вязкость); Hoⁿ — g ² / l — преобразованный критерий гомохронности ( —продолжительность истечения); т и п — показатели степени, определяемые экспериментально.

 

Исследованиями, проведенными Б.Ч. Реуттом при 10³ Ga 6  10⁷ и 1,5×10³ Н_о  4×10⁸, установлена зависимость радиуса растекания от продолжительности, вязкости, объема и расхода вытекающей при аварии горючей жидкости. Эти зависимости описываются следующими уравнениями:

при разовом истечении

,     (70)

при непрерывном истечении

,     (71)

где R - радиус растекания жидкости, м; и Q — скорость движения и расход жидкости, м/с и м³/с;  — продолжительность истечения, с; g — ускорение свободного падения, м²/с;  — вязкость жидкости, м²/с.

 

Используя формулы (70) и (71), можно определить фактическую площадь зеркала растекающейся при аварии горючей жидкости.

Растекаемость жидкостей на поверхностях различного качества изучал Ю. П. Чаусов. Им предложен метод оценки параметров растекаемости огнеопасных жидкостей на различных поверхностях. Для характеристики растекаемости жидких продуктов учитывают удельную площадь растекания f ₀, среднюю толщину пленки , диаметр приведенного круга d, относительное изменение поверхности s, относительную удельную площадь растекания , коэффициент влияния структуры поверхности k.

Удельная площадь растекания жидкости на поверхности представляет собой площадь разлива единицы объема жидкости на стандартной поверхности при нормальных условиях.

Средняя толщина пленки — это осредненное ее значение по всей площади растекания жидкости. Диаметр приведенного круга принимают равным диаметру круга с площадью, равной площади растекания жидкости. Относительное изменение поверхности — отношение площади растекания жидкости к поверхности шара того же объема. Относительная площадь растекания — отношение площади растекания жидкости к площади растекания стандартной жидкости. Коэффициент влияния структуры поверхности представляет собой отношение площади растекания жидкости на данной поверхности к площади растекания этой же жидкости на стандартной поверхности.

 

На практике приходится иметь дело не с одним видом материала или вещества, а с большой группой веществ и материалов, которые обращаются или перерабатываются на открытой технологической установке. В таких случаях принимают среднюю удельную теплоту пожара, рассчитанную для каждого защищаемого участка по формуле:

 

,   (72)

 

где q_Oi — удельная теплота пожара материала i -того вещества, МВт/м²; G_i — количество i -того материала или вещества в рассматриваемом участке установки, кг;  — общее количество материалов или веществ в технологической линии установки, кг.

 

Пожары легковоспламеняющихся и горючих жидкостей довольно часто возникают в металлических или подземных железобетонных резервуарах, в земляных амбарах, в складах тарного хранения, а также при аварийных проливах из производственной аппаратуры. Огнем за сравнительно короткий промежуток времени могут быть охвачены различные сооружения на значительной площади. Во время пожаров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей и газов могут происходить взрывы, вскипания и выбросы горящего продукта, разливы горючих жидкостей, деформация емкостей, потеря несущей способности строительных конструкций, аварии технологических аппаратов, дорогостоящей производственной аппаратуры и коммуникаций.

 

Возможны следующие виды горения:

– факельное горение резервуаров и аппаратов через щели, дыхательные клапаны и другое оборудование;

– горение струй горючих жидкостей и газов, вытекающих из хранилищ, аппаратов и трубопроводов;

– свободное горение жидкостей в резервуарах или разлитых луж.

Факельное горение возможно только над герметизированными аппаратами и хранилищами, в которых при обычных температурах возможно образование концентрации газовоздушных паров, превышающей верхний предел взрываемости. Перенасыщенная газовоздушная смесь не может воспламениться в резервуарах из-за недостаточного содержания в ней кислорода воздуха, и поэтому горение возможно только на воздухе либо при дополнительном притоке его в резервуар.

Особенность струйного горения горючих жидкостей или газов— непрерывное, как правило, увеличение площади, охваченной горением. При таком пожаре создается опасность распространения очага пожара в канализационную сеть, нефтеловушки и другие открытые сооружения очистных сооружений. Струи горящих жидкостей создают также значительную опасность для людей.

Наличие больших объемов легковоспламеняющихся и горючих жидкостей и газов (во многих случаях они нагреты выше температуры самовоспламенения), близкое расположение аппаратов и колонн от открытых источников огня приводят к тому, что пожары на установках могут быстро принимать значительные размеры. Наибольшую сложность представляют пожары, возникающие в результате аварий на блоке колонн. Вследствие близкого взаимного расположения и технологической связи различных аппаратов создается угроза дальнейшего распространения аварии, поэтому необходимо сосредоточивать значительное количество пожарной техники и средств противопожарной защиты для блокирования смежных аппаратов и соседних установок. При аварийной остановке технологического процесса могут возникнуть резкие перепады давлений и гидравлические удары, которые вызывают дополнительные аварии, способствующие дальнейшему увеличению размера пожара. Сложными являются также пожары на установках, технологические аппараты и оборудование которых размещается на каркасных этажерках, нередко располагаемых непосредственно над помещениями или вплотную к ним и имеющих сравнительно большую высоту (до 30—50 м).

Перегонные установки химических, коксохимических, нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств, в большинстве своем аналогичны. Технологические процессы получения бензола, толуола и ксилола во многом схожи с процесса ми получения бензина и других продуктов при нефтепереработке.

Возможность взрывов на производственных установках тем больше, чем больше утечки газов_г паров и легковоспламеняющихся жидкостей через неплотности во фланцевых соединениях трубопроводов и аппаратуры. Для разработки системы противопожарной защиты открытых технологических установок необходимо знать основные закономерности теплового воздействия пожара, с помощью которых можно установить логическую связь с эффективностью разрабатываемой системы.